Netzregelung im ENTSO-E-Netz

Netzregelung im ENTSO-E-Netz

• Die Netzregelung hat die Aufgabe, die Netzfrequenz und die Netzspannung konstant zu halten.
• Kraftwerke passen ihre Leistung an, um die Netzfrequenz konstant zu halten, dieser Vorgang wird auch als Erzeugungs- oder Turbinenregelung bezeichnet.
• Die Steuerung des Stromverbrauchs der Kunden (Demand Side Management, DSM) ist bislang begrenzt.
• Spannung wird reguliert, indem Generatoren und Transformatoren angepasst werden, wobei Induktivitäten oder Kapazitäten die Spannung beeinflussen können.

Regelung von Leistung und Frequenz

• In Stromnetzen muss ein Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch bestehen.
• Generatoren passen ihre Leistung an den aktuellen Bedarf an, einschließlich aller Verluste.
• Alle Generatoren im Netz arbeiten mit der gleichen Frequenz, die als Regelgröße dient.
• Bei Änderung des Verbrauchs kann es kurzzeitig zu einem Ungleichgewicht kommen.
• Steigender Verbrauch verlangsamt die Generatoren und Turbinen, was die Frequenz sinken lässt.
• Turbinenregler reagieren, öffnen Ventile und erhöhen die Leistung, um die Frequenz wieder zu normalisieren.
• Frequenzschwankungen liegen im Normalfall zwischen 20 und 100 mHz.
• Größere Abweichungen sind selten und treten meist nur bei gleichzeitigen Ausfällen mehrerer Kraftwerke auf.
• Die Feuerungsleistung des Kessels wird über die Brennstoffmenge gesteuert.
• Der erzeugte Dampf wird über Ventile geregelt und durchläuft Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbinen, die ein mechanisches Drehmoment erzeugen.
• Die Turbinenregelung misst Frequenz und Leistung am Generator.
• Bei konstanter Sollfrequenz wird die Leistung auf einen festen Wert geregelt.
• Bei Abweichung der Frequenz vom Sollwert schaltet das System auf Frequenzregelung um, wobei die Leistung vorübergehend abweichen kann (Primärregelung).
• Die Spannungsregelung steuert das magnetische Feld des Generators über die Erregereinrichtung.

Bewegungsgleichung und Trägheitskonstante

• Bei linearen Bewegungen ist Kraft (F) gleich Masse (m) mal Beschleunigung (a).
• Bei rotierenden Systemen wie Generatoren oder Turbinen gibt es einen ähnlichen Zusammenhang zwischen Drehmoment (M), Masse, Abstand zur Drehachse (r) und Winkelbeschleunigung (w').
• Die Trägheitskonstante (J) beschreibt, wie schwer es ist, das System zu beschleunigen oder abzubremsen und wird durch die Schwungmasse von Generator und Turbine bestimmt.
• Statt des Radius wird heute die Anlaufzeitkonstante (TA) verwendet, die angibt, wie lange ein Generator braucht, um aus dem Stillstand auf Nenndrehzahl zu kommen (meist zwischen 0,5 und 15 Sekunden).
• Wenn die erzeugte Leistung im Stromnetz nicht dem Verbrauch entspricht, ändert sich die Drehzahl der Generatoren, was zu Frequenzänderungen führt.
• Ein Leistungsdefizit bremst Generatoren und senkt die Frequenz, während ein Leistungsüberschuss die Frequenz erhöht.
• Die Anlaufzeitkonstante hilft, diese Frequenzänderungen zu berechnen und das Netz stabil zu halten.

Selbstregeleffekt der Netzlast

• Der Selbstregeleffekt wirkt, indem sich die Netzlast (Stromverbrauch) bei Frequenzänderungen anpasst.
• Sinkt die Frequenz, sinkt auch die Last, da einige Verbraucher weniger Leistung aufnehmen.
• Der Selbstregelfaktor (KL) beschreibt, wie stark die Last bei einer Frequenzänderung reagiert.
• Bei Frequenzrückgang führt der Selbstregeleffekt dazu, dass die Last abnimmt und das Netz sich stabilisiert.
• Die Frequenzänderung hängt von der Leistungsdifferenz (ΔΡ) und der Anlaufzeitkonstante (TA) der Generatoren ab.
• Die Frequenz pendelt sich schließlich auf einen neuen, stabilen Wert ein, der durch den Selbstregeleffekt begrenzt wird.
• Die untere Frequenzgrenze (fu) ist der Punkt, ab dem der Selbstregeleffekt die Frequenz stabilisiert.

Zeitbereiche der Leistungs-Frequenz-Regelung

• Im Verbundbetrieb von Kraftwerken wirken mehrere Regelverfahren zusammen, die zeitlich voneinander entkoppelt sind:
  • Reine Leistungsregelung: Kraftwerke regeln die Leistung nach einem festgelegten Plan, ohne dass die Netzfrequenz abweicht.
  • Primärregelung: Kraftwerke passen bei Frequenzabweichungen ihre Leistung automatisch an (schnell aber grob).
  • Sekundärregelung: Spezielle Kraftwerke gleichen die verbleibende Frequenzabweichung vollständig aus (präzisere Stabilisierung).
  • Tertiärregelung (Minutenreserve): Sie ersetzt die Sekundärregelung und stellt langfristig zusätzliche Leistung bereit.

Wirtschaftlichkeitsrechnung in der Energiewirtschaft

• Das elektrische Energiesystem ist durch Langlebigkeit, Kapitalintensivität und Leitungsgebundenheit gekennzeichnet.
• Bei Planung und Auslegung ist eine eingehende Wirtschaftlichkeitsanalyse wichtig, um Fehlinvestitionen zu vermeiden.

Kosten- und Gewinnanalyse

• Die Gesamtkosten (K(x)) setzen sich aus fixen Kosten (KF) und variablen Kosten (KV(x)) zusammen: K(x) = KF + KV(x)
• Fixkosten (KF) sind konstant (z.B. Instandhaltung, Gehälter, Steuern).
• Variable Kosten (KV) entstehen erst bei Produktion (z.B. Brennstoffkosten, Löhne für Schichtpersonal, Hilfsstoffe).
• Der Erlös (E(x)) steigt linear mit der produzierten Menge an.
• Der Gewinn (G(x)) ergibt sich aus Erlös minus Kosten: G(x) = E(x) - K(x).
• Der Break-even-Point (XB) ist die Menge, ab der der Erlös positiv wird.
• Die Energiepreise werden im freien Markt durch Angebot und Nachfrage bestimmt.
• In regulierten Bereichen legen Regulatoren die Netztarife fest, um Kosten für Investition, Betrieb und Wartung zu decken.
• Für neue erneuerbare Energien gibt es feste Tarifmodelle zur Investitionssicherheit, wobei die ÖMAG für die Abrechnung zuständig ist.

Investitionsrechnung

• Mit der Investitionsrechnung lassen sich die jährlichen Kosten von Investitionen berechnen und verschiedene Investitionsmöglichkeiten wirtschaftlich vergleichen.
• Typische Betriebsmittel im elektrischen Energiesystem sind Kraftwerke, Kabel, Leitungen und Schaltanlagen mit unterschiedlicher Lebensdauer.
• Für die Kostenanalyse haben sich die Barwertmethode (Kapitalwertmethode) und die Annuitätenmethode (Rentenwertmethode) durchgesetzt.

Barwertmethode

• Die Barwertmethode betrachtet die gesamte Nutzungsdauer einer Investition und bezieht den Barwert auf einen frei wählbaren Zeitpunkt.
• Der Barwert eines Kraftwerks umfasst den Kaufpreis und alle zukünftigen Kosten, umgerechnet auf den Zeitpunkt der Inbetriebnahme.
• Regelmäßige Zahlungen (z. B. Wartungskosten) werden auf den Bezugszeitpunkt abgezinst.

Aufzinsung und Abzinsung

• Zahlungen vor dem Betrachtungszeitpunkt werden mit dem gültigen Zinssatz aufgezinst.
• Zukünftige Zahlungen nach dem Betrachtungszeitpunkt werden durch Abzinsung auf einen Barwert diskontiert.
• Der Barwert ist vergleichbar mit dem Guthaben auf einem Bankkonto und hilft, Kosten und Rückzahlungen von Krediten übersichtlich darzustellen.

Annuitätenmethode

• Die Annuitätenmethode verteilt den Kapitalwert in gleichbleibende Jahresraten über die Nutzungsdauer, um die Kosten gleichmäßig darzustellen.
• Laufende Zahlungen können Rückzahlungen von Kapital oder andere fixe Kosten umfassen.
• Die Annuitätenmethode wird oft verwendet, um Kraftwerkstypen wirtschaftlich zu vergleichen.
• Der Annuitätenfaktor hängt von der Abschreibungsdauer und dem Zinssatz ab.

Stromgestehungskosten

• Stromgestehungskosten sind die Kosten pro erzeugter Kilowattstunde und hängen von verschiedenen Parametern ab.
• Die Volllaststundenzahl zeigt, wie effizient ein Kraftwerk genutzt wird.
• Die Einsatzdauer eines Kraftwerks bezieht sich auf die Jahresenergie (E) und Nennleistung (PN).
• Die Volllaststunden variieren je nach Kraftwerkstyp (Grundlast, Spitzenlast, Ökostrom, Kraft-Wärme-Kopplung).
• Der mittlere Anlagenwirkungsgrad gibt an, wie effizient ein Kraftwerk die Energie des Brennstoffs in elektrische Energie umwandelt (Verhältnis von gelieferter elektrischer Energie zu eingesetztem Brennstoff).

Abhängige Kosten

• In der Energiewirtschaft wird zwischen leistungsabhängigen und arbeitsabhängigen Kosten unterschieden.
• Leistungsabhängige Kosten (für Kapital, Wartung, Versicherungen, Personal) fallen auch an, wenn das Kraftwerk nicht läuft.
• Die Kapitalabhängigen Leistungskosten (KLK) berechnen sich aus dem Annuitätenfaktor, spezifischen Anlagenkosten und der Ausbauleistung.
• Dazu gehören Verzinsung und Tilgung des Kapitals sowie Steuern und Versicherungen.
• Arbeitsabhängige Kosten (variable Kosten) entstehen nur, wenn das Kraftwerk Strom produziert (Kosten der Primärenergie und betriebsabhängige Kosten).
• Die Kosten der Primärenergie (KAE) sind die Kosten für den Brennstoff.
• Der Wirkungsgrad der Anlage wird bereits in den Brennstoffkosten berücksichtigt.
• Betriebsabhängige Kosten (KAB) umfassen Personalkosten und Kosten für Umweltschutzmaßnahmen.

Jahreskosten einer Erzeugungsanlage

• Die Kosten für eine Kilowattstunde Strom setzen sich aus leistungsabhängigen (Fixkosten) und arbeitsabhängigen Kosten (variable Kosten) zusammen.
• Die Stromgestehungskosten ergeben sich als spezifische Energiekosten.
• Grundlastkraftwerke (Kohle, Kernkraft, Laufwasser) haben hohe Fixkosten, aber niedrige variable Kosten und lohnen sich bei langen Laufzeiten.
• Spitzenlastkraftwerke (Gasturbinen) haben niedrige Fixkosten, aber hohe variable Kosten und lohnen sich bei kurzen Laufzeiten.